基于S7-PLCSIM Advanced的MCD转向臂与TIA通信仿真应用

杨 涛 黄雅迪 欧彦江 杨 旭

（成都工贸职业技术学院∕成都市技师学院电气工程学院，四川 成都 611731）

0 引言

随着机电一体化设备自动化程度的不断提高及控制点的不断增加，对机电一体化概念设计开展程序指令的仿真研究，有利于减少现场设备调试中的不合理问题，从而使虚拟仿真调试技术在工程中得到更多应用。S7-PLCSIM Advanced 高级虚拟控制器可创建西门子系列S7-1500 或ET 200SP 系列虚拟CPU，用于综合仿真研究，不需要真正的PLC也能创建程序，并可进行下载调试。机电一体化概念设计（Mechatronics Concept Designer，MCD）具有较高的集成性，能与S7-PLCSIM Advanced 建立通信，且能实现TIA、PLCSIM Advanced、MCD 之间的数据交换，实现综合虚拟仿真调试，在机电产品还没有实际制造出来前，就已经进行了功能和控制方面的验证。

目前，有多位学者对MCD与TIA仿真通信进行研究。卞志海等［1］对TIA V15与PLCSIM Advancedp之间的通信进行仿真调试。蔡文站等［2］把基于OPC UA建立的MCD与TIA通信对机器人打磨进行联合虚拟调试研究，通过对调试前后的数据进行对比分析，有效验证和优化了机器人打磨轨迹，同时可缩短生产现场的调试周期，降低设计阶段电气硬件的调试风险和成本投入。本研究以某转向臂为例，在MCD 中创建三维模型，并根据实际需求来设置运动对象属性，并用S7-PLCSIM Advanced（OPC UA）来创建虚拟控制器，建立TIA 与MCD 的信号映射，交换数据，从而完成虚拟仿真调试。

1 TIA中PLC的组态及通信参数设置

为了与S7-PLCSIM Advanced 软件中创建的虚拟CPU 建立通信，在对TIA 组态时添加西门子1500中的V2.0 固态版以上的CPU。打开TIA16.0 编程软件，新建一个项目，添加新设备时选择CPU1511-1PN 下订货号为6ES7511-1CK00-0AB0 的V2.8 版控制器。选择项目属性中保护选项下将块编译，支持仿真功能打开。同时，在PLC1（CPU1511-1PN）常规属性中，PROFINET 接口的以太网选项中设置IP 地址为192.168.2.2（这里的IP 地址要与PLCSIM Advanced 中虚拟控制器CPU 的IP 地址相同），在OPC UA 服务器选项中激活OPC UA 服务器，复制服务器地址（opc.tcp：∕∕192.168.2.2：4840），启用SIMATIC 服务器的标准接口。在运行系统许可证的OPC UA 选项中选用SIMATIC OPC UA S7-1500medium 许可证，在防护与安全的连接机制下勾选“允许来自远程对象的PUT∕GET 通信访问”。PLC组态及通信参数如图1所示。

2 S7-PLCSIM Advanced创建虚拟控制器

S7-PLCSIM Advanced 软件支持SOFTBUS 和OPC UA 方式的虚拟调试，其中，OPC UA 通信方式在MCD 平台中能实现虚实联调。博途TIA 和MCD利用S7-PLCSIM Advanced 的OPC UA 通信来实现对转向臂的虚拟调试。首先，打开PLCSIM Advanced V3.0，在线访问（Online Access）选择PLCSIM Virtual Eth.Adapter。其次，在通信地址TCP∕IP communication with 中选择Local（本地IP 地址设置为192.168.2.1）。再次，新建虚拟控制器，设置Instance name 为My_PLC3，IP address（地址）为192.168.2.2，Subnet mask（子网掩码）为255.255.255.0。最后，单击Start 按钮启动，激活虚拟控制器。正常启动如图2所示。

图2 S7-PLCSIM Advanced创建虚拟控制器

3 转向臂三维模型的运动属性设置及信号创建

3.1 转向臂三维模型的运动机电对象

转向臂由五部分运动机构组成，包括由交流电机驱动旋转的一轴基座、由气缸驱动的线性运动二轴、由伺服电机驱动旋转的三轴、由步进电机驱动旋转的四轴、由气缸驱动的线性运动五轴气爪（气爪张合）。

通过对各轴的运动特性进行分析，需要在MCD 中设置转向臂各部件的机电对象，其中，机电对象主要有刚体和碰撞体。根据案例特征，转向臂中的运动部件都应设置为刚体，需要监测碰撞特性的部件设置为碰撞体。碰撞体与刚体一起添加到几何部件后才能触发碰撞。转向臂的一轴、三轴和四轴的运动为旋转运动，在MCD 中将这三部分的运动设置为铰链副。转向臂的二轴和五轴运动为线性运动，在MCD 中将这两部分设置为滑动副。其中，气爪1 和气爪2 在滑动副之前添加弹簧阻尼器来实现自动合爪。转向臂机械机构及各轴的机电对象设置运动副定义如图3所示。

3.2 设计各运动副的执行器

对各机电对象设置运动副后，只是建立运动关系，在添加相应的运动执行器后，才能使各运动副按照控制要求运动。常用的执行器有传输控制、速度控制和位置控制。转向臂一轴和四轴添加速度控制，转向臂二轴、三轴和五轴添加位置控制。转向臂二轴的位置控制设置如图4所示。

图4 二轴位置控制设置

3.3 在MCD中创建信号和设计仿真序列

在MCD 中创建信号，通过信号来控制转向臂五个轴的运动。对转向臂的五个运动轴各创建两个信号，均为布尔型输入信号。

仿真序列是MCD 平台来处理机构运动逻辑关系的快捷方式，可将转向臂中各个执行器与传感器、信号进行关联，从而实现逻辑控制。在创建转向臂一轴的仿真序列时，先将一轴速度控制中的速度设置为零，再通过仿真序列把一轴的正转信号和一轴以50 mm∕s 速度进行关联，把一轴反转信号和一轴以-50 mm∕s 速度进行关联。即当一轴正转信号为TRUE 时，一轴以50 mm∕s 速度正转；当正转信号为FALSE 时，一轴速度为0 mm∕s，停止运转。此外，可根据需求在仿真序列中修改速度。在对二轴位置控制创建仿真序列时，应先将位置控制中的目标位置和运动速度设置为零，在仿真序列中的信号与参数关联时设置对应的目标位置和运动速度。

4 TIA 通过PLCSIM Advanced 与MCD 实现虚拟联调仿真

4.1 在TIA中添加变量和设置HMI画面

博途（TIA）软件是业内首个采用统一工程组态和软件项目环境的自动化软件，几乎适用于所有自动化任务［3］。为验证运动控制设计的合理性，需要在TIA中创建控制程序和人机画面，再与MCD建立通信。程序变量和人机画面的创建步骤如下：首先，在TIA 下PLC 变量的默认变量表中添加十个控制变量，用于控制转向臂五个轴的正、反运动，变量地址为M0.0～M1.1，变量类型均为布尔型，创建的PLC 变量如图5 所示；其次，对整个控制器进行编译，编译完成后点击下载图标；最后，在下载界面中，选择设置PG∕PC 接口的虚拟网卡（PLCSIM Virtual Eth.Adapter），即可将变量参数和设备组态信息下载到虚拟PLC中［4］。

图5 创建PLC变量

在整个TIA 项目中添加HMI_TP700 Comfort，并在根画面上设置十个控制转向臂运动的按钮，将各按钮与PLC 布尔变量（M0.0-M1.1）建立连接，HMI按钮设置和变量连接如图6所示。

图6 HMI按钮设置和变量连接

4.2 在MCD中完成外部信号配置和信号映射

为了和外部信号建立连接，在MCD 平台中选择外部信号配置，选择OPC UA后添加服务器，在添加对话框中粘贴TIA 中OPC UA 服务器地址（opc.tcp：∕∕192.168.2.2：4840），并测试连接，连接成功后点击“确定”。在对应的PLC_33 下选择Memory 的一轴正转、反转等信号（地址为M0.0～M1.1），点击“确定”即可。外部信号配置如图7所示。

图7 外部信号配置

外部信号配置好后，在MCD 平台中选择信号映射，该信号映射用于建立TIA 中的PLC 信号变量与MCD 中的信号连接。打开信号映射对话框后，选择外部信号类型（OPC UA）和服务器地址（opc.tcp：∕∕192.168.2.2：4840）。若在TIA 和MCD 中创建信号的名字相同，就直接选择信号自动映射，然后确定即可。信号映射对话框如图8所示。

图8 信号映射对话框

4.3 仿真调试

在MCD 和TIA 信号映射成功后，通过HMI 中的按钮来控制MCD 中的转向臂模型的运动。在MCD 中，将各信号添加到查看器中，启动运行仿真，在TIA 中启动HMI 仿真画面，点击各按钮即可控制MCD 中转向臂各轴的运动，同时可在MCD 的运行查看器中查看各信号状态情况。仿真调试如图9所示。

图9 仿真调试

在图9 中，按下HMI 中的一轴正转按钮，MCD中的一轴正转信号为TRUE，转向臂一轴基座正转。松开HMI 中的一轴正转按钮，MCD 中的一轴正转信号FALSE，转向臂一轴基座停止正转。当按下HMI中的一轴反转按钮，MCD中的一轴反转信号为TRUE，转向臂一轴基座反转。松开HMI 中一轴反转按钮，MCD 中的一轴反转信号为FALSE，转向臂一轴基座停止反转转。其他轴的虚拟调试与一轴类似。

5 结语

本研究以转向臂为研究对象，通过PLCSIM Advanced 来建立虚拟控制器，TIA 采用OPC UA 通信方式与MCD 建立通信，验证了MCD 在该通信方式下调试的可行性，为虚拟仿真调试的通信方式提供借鉴。